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論文

Development of remote sensing technique using radiation resistant optical fibers under high-radiation environment

伊藤 主税; 内藤 裕之; 石川 高史; 伊藤 敬輔; 若井田 育夫

JPS Conference Proceedings (Internet), 24, p.011038_1 - 011038_6, 2019/01

東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の原子炉圧力容器と格納容器の内部調査への適用を想定して、光ファイバーの耐放射線性を向上させた。原子炉圧力容器内の線量率として想定されている~1kGy/hレベルの放射線環境に適用できるよう、OH基を1000ppm含有した溶融石英コアとフッ素を4%含有した溶融石英クラッドからなるイメージ用光ファイバを開発し、光ファイバをリモートイメージング技術に応用することを試みた。イメージファイバの本数は先行研究時の2000本から実用レベルの22000本に増加させた。1MGyのガンマ線照射試験を行った結果、赤外線画像の透過率は照射による影響を受けず、視野範囲の空間分解能の変化も見られなかった。これらの結果、耐放射線性を向上させたイメージファイバを用いたプロービングシステムの適用性が確認できた。

論文

核燃料サイクルおよび福島第一原子力発電所廃炉への適用を念頭としたレーザー誘起ブレークダウン分光と関連分光技術

若井田 育夫; 大場 弘則; 宮部 昌文; 赤岡 克昭; 大場 正規; 田村 浩司; 佐伯 盛久

光学, 48(1), p.13 - 20, 2019/01

レーザー誘起ブレークダウン分光(LIBS)や関連技術である共鳴吸収分光の原子力分野での応用について紹介する。放射性物質を多く含有した次世代低除染MOX燃料への適用や、福島第一原子力発電所の損傷炉内といった高放射線・過酷環境における燃料出渕のその場サーベランスにおいては、光ファイバーを活用したLIBS技術や共鳴吸収分光技術は、遠隔分析手法として最も有力な手法の一つとして期待されている。これらの技術の基本及び性能について現状を紹介し、LIBS技術などの原子力分野への適用についてレビューする。

論文

Development of a new fusion power monitor based on activation of flowing water

Verzilov, Y. M.; 西谷 健夫; 落合 謙太郎; 沓掛 忠三; 阿部 雄一

Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1477 - 1483, 2006/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:88.21(Nuclear Science & Technology)

水中の酸素(O-16)は14MeV中性子による(n,p)反応により放射性核種N-16を生成する。これまでN-16からの$$gamma$$線を測定する方法が開発されてきたが、$$gamma$$線検出器への中性子の影響を防ぐために$$gamma$$線検出器を核融合炉から十分(10$$sim$$20m)に離す必要があった。その場合、水の輸送時間だけ検出時間が遅れることになる。その遅れをできるだけ小さくするために、N-16が$$beta$$崩壊する時に放出される高エネルギー電子により水がチェレンコフ発光することに着目し、そのチェレンコフ光を核融合炉から十分に離れた光検出器に導く手法を考案した。しかしチェレンコフ光は、紫外域が中心であるため光ファイバーによる減衰が大きい。そこでチェレンコフ光を一旦波長シフトファイバーで受け可視光に変換して光検出器へ伝送する方式を採用した。試作した検出器は14MeV中性子源FNSで特性を測定し、十分な検出器効率と時間分解能を有していることを確認した。

論文

Laser pattern profile emitted through optical glass fiber bundle with load

山内 俊彦

Japanese Journal of Applied Physics, 43(9A), p.6473 - 6474, 2004/09

 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

自由電子レーザー等のレーザー用光学バンドルファイバーを通ったHe-Neレーザーの出力分布は、ファイバーに加えられた負荷に強く依存する(横モード変調)。出力分布半径の増分は、負荷とともに指数関数的に増加する。これはマイクロベンディングに起因していると考えられる。一方、遅延時間もまた負荷とともに指数関数的に増加する。この遅延時間は、ピコ秒程度と小さい。

報告書

Report of the 13th IEA Workshop on Radiation Effects in Ceramic Insulators; December 9, 2003, Kyoto (Cooperative research)

核融合工学部

JAERI-Review 2004-004, 96 Pages, 2004/03

JAERI-Review-2004-004.pdf:14.47MB

IEA核融合材料研究実施協定付属書II(核融合材料の照射損傷に関する実験)に基づく第13回IEAセラミックス絶縁材の照射効果に関するワークショップは第11回核融合材料国際会議(ICFRM)のサテライト会合として2003年12月9日に京都で開催された。10か国,44名(日本26人,スペイン5人,ベルギー3人,米国3人,ロシア2人,オーストリア,ギリシャ,イタリア,ルーマニア,英国各1人)の参加者があり、本会議の組織委員で議長であるCIEMAT研究所のE.R. Hodgson博士の開催の辞の後、最新の実験結果である、照射誘起微視的構造変化における電場の効果,照射によるケーブルの寄生電流と寄生電圧,光学材料,IFMIF関連課題,基礎的問題について議論した。その結果、照射誘起絶縁劣化の原因として$$gamma$$-アルミナとアルミニウムコロイドの生成を確認する等の成果が得られた。

報告書

光ファイバ貫通部のシール技術の開発; ハンダ付けシール及び銀ロー付けシール

松井 義典; 菊地 泰二; 角田 恒巳

JAERI-Tech 2002-060, 23 Pages, 2002/08

JAERI-Tech-2002-060.pdf:4.42MB

JMTRにおける最近の照射では、計装線に光ファイバを利用した照射試験が増加しつつある。これは、光ファイバの信号伝達が原子炉内のノイズの影響を受けにくいこと、最近の研究により耐放射線性に優れたものが開発されてきていることが大きな要因である。照射キャプセルでは計測線を取り出す場合、キャプセル本体の貫通部を完全にシールする必要があり、光ファイバも例外ではない。光ファイバ貫通部のシールについては信頼性の問題があったので、信頼性の向上のため、深海用光ケーブルのシールに使用されているハンダ付けシール及びその応用である銀ロー付けシールについて炉外試験を実施し、良好な結果が得られた。このため、実際の照射キャプセルにハンダ付けシールを用い、JMTRで5サイクル(約3000時間)の照射を実施した。この結果、シール性能の劣化は見られず、シールの信頼性が確認された。

報告書

Irradiation effects on plasma diagnostic components, 2

西谷 健夫; 四竈 樹男*; 杉江 達夫; 河西 敏; 石塚 悦男; 河村 弘; 角田 恒巳; 八木 敏明; 田中 茂; 鳴井 實*; et al.

JAERI-Research 2002-007, 149 Pages, 2002/03

JAERI-Research-2002-007.pdf:8.08MB

ITER工学R&Dの一環として計測機器要素の照射試験を核分裂中性子,$$gamma$$線,14-MeV中性子を用いて実施した。14-MeV中性子及びCo-60$$gamma$$線照射下におけるKU-1溶融石英の紫外域透過率を測定したところ、200-300nmの波長域に著しい透過損失が生じることがわかった。5種類のITER共通資料の光ファイバーをJMTR及びCo-60$$gamma$$線で照射試験を行った。KS-4V,KU-H2G及びフッ素添加ファイバーは極めて高い耐放射線性を示し、ITERの真空容器外側付近まで導入できる見通しを得た。マイカ薄膜ボロメータを0.1dpaまでJMTRで照射した。第1照射サイクルの停止時にボロメータの断線が発生し、金を蒸着した抵抗体は、ITERにおいて問題であることを示した。磁気プローブもJMTRで照射試験を行った。磁気プローブに長時間デジタル積分器を接続したところ、1000sに対し、10-40 mVsのドリフトが観測されたが、照射誘起起電力ばかりでなく、積分器自体のドリフトによる発生したと考えられる。1000sの積分時間に対し、ドリフトを0.5 mVs以下に抑えうる、ITER仕様の磁気プロープをMIケーブルを用いて製作できる見通しが得られた。

報告書

高温照射場の中性子線量計測法の検討

小佐古 敏荘*; 杉浦 紳之*; 工藤 和彦*; 森 千鶴夫*; 飯本 武志*; 四竈 樹男*; 片桐 政樹; 林 君夫; 相原 純; 柴田 大受; et al.

JAERI-Review 2000-017, 78 Pages, 2000/10

JAERI-Review-2000-017.pdf:4.62MB

原研は、高温工学試験研究炉(HTTR)を用いる高温照射研究である「高温工学に関する先端的基礎研究」を平成6年度から実施している。平成9年度には、同研究の推進母体であるHTTR利用検討委員会に「高温放射線下での照射線量評価タスクグループ」が設置された。本報告書は、同タスクグループが、HTTRを用いる高温照射研究に資するため、高温高放射線場における中性子計測器についての開発課題を調査検討した結果をまとめたものである。取り上げた検出器は、日本国内については、(1)小型核分裂計数管、(2)小型核分裂電離箱、(3)自己出力型検出器、(4)放射化検出器、及び(5)光ファイバの、5種類の炉内検出器であり、そのほかにロシアにおける開発状況についても調査した。本報告書の内容は、高温ガス炉の核計装としても役立つものである。

論文

Development of heat and radiation resistant optical fibers

四竈 樹男*; 石原 正博; 林 君夫; 角田 恒巳; 社本 尚樹*; 石野 栞*

Proceedings of 1st Information Exchange Meeting on Basic Studies on High-Temperature Engineering, p.379 - 386, 1999/09

HTTRを用いた高温工学に関する先端的基礎研究の一つとして耐熱耐放射線性光ファイバの開発を進めてきた。一連の研究開発により、耐熱耐放射線性を高めるためには光ファイバのコアの高純度化、OHの添加あるいはFの添加が必要であることが明らかとなってきている。そこで、これらの条件で光ファイバを試作し、JMTRを用いた高温照射試験を実施し、最適な光ファイバの条件を検討した。照射条件は高速中性子束が2$$times$$10$$^{17}$$m$$^{-2}$$s$$^{-1}$$で20日間、温度は最高800$$^{circ}C$$である。照射試験の結果、Fをコアに添加した光ファイバの透光性が最も良好となった。本報告は今までに得られたこれらの成果について述べるものである。

報告書

Development of multi-channel optical-fiber feed through for ITER

杉江 達夫; 鳥谷 智晶*; 河西 敏

JAERI-Tech 98-036, 31 Pages, 1998/08

JAERI-Tech-98-036.pdf:2.5MB

ITERにおける第2真空境界(クライオスタット容器壁)を通して、可視及び赤外域の光を貫通させるための多チャンネル光ファイバー導入端子、及びコネクターを開発した。導入端子部の製作にあたっては、個々のチャンネルの接続精度を向上させるために、光ファイバー(コア径200$$mu$$m)を精度良く中心に埋め込んだ石英ロッド(径2.5mm)を一体成型により製作し、そのロッドを高温ハンダで真空フランジに固定した。その結果、53チャンネルの導入端子個々の接続損失がすべて3dB以下になり、チャンネル間の一様性も60%以上となった。また、耐圧力、耐衝撃に関して、それぞれ5気圧、15Gまでの試験に合格し、使用温度については室温から200度までの試験に合格した。導入端子部の真空リークは、検出限界(5$$times$$10$$^{-12}$$pa・m$$^{3}$$/s)以下であった。

論文

Performance of the US quench detection systems in the QUELL experiments

高橋 良和; S.Pourrahimi*; S.P.Smith*; J.V.Minervini*; J.H.Schultz*; Anghel, A.*; Vecsey, G.*; S.Ezekiel*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 7(2), p.447 - 450, 1997/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:39.88(Engineering, Electrical & Electronic)

ITERタスクの一貫として行われたクエンチ試験(QUELL)は、1/6の縮小導体を約100m用いて、導体がクエンチした時の導体のふるまいを観測し、このデータを用いてコンピュータの解析コードを確立することと、クエンチ検出システムを開発することを目的として、行われた。本論文においては、米国で開発されたクエンチ検出システムの性能について報告する。開発されたクエンチ検出センサーは、導体内温度を測定する光ファイバーと共巻き電圧タップである。これらは、導体の中に入れられた。どちらのセンサーも、大型コイルに要求される性能を満足していることが確認された。しかし、導体からセンサーの取り出し部の構造が、今後に残された問題である。

報告書

Design of divertor impurity monitoring system for ITER

杉江 達夫; 小川 宏明; 勝沼 淳*; 丸尾 光正*; 安東 俊郎; 河西 敏

JAERI-Tech 96-055, 82 Pages, 1996/12

JAERI-Tech-96-055.pdf:2.07MB

本システムは、ダイバータ部での不純物粒子の同定、粒子流入束の二次元測定等を行うことを主な目的としており、プラズマ制御に欠かせない計測システムとして、スタートアップセットの中に入っている。今回は、システムの概念設計、光学設計、及び初期的な機械設計を行った。目的に合わせた三つの最適な分光系(不純物の種類をモニターする分光系、粒子束の空間分布を高速測定する分光系、粒子の運動エネルギーを測定する高分散分光系)でシステムを構成した。二次元測定はダイバータカセット内部に金属ミラーを設置し、互いに交差する視野で行う。また、光線追跡による解析を駆使して光学系の最適化を行った結果、ダイバータ部で要求されている3mmの空間分解能は難しいことが判明した。その他、測定限界の評価、光ファイバーの使用限界の検討等を行った。

論文

Application of optical fiber system for photoacoustic spectroscopy

木原 武弘; S.I.Sinkov*; 藤根 幸雄; 前田 充

Value Adding Through Solvent Extraction (Proc. of ISEC 96), 2, p.1603 - 1607, 1996/00

核燃料再処理への応用のため、レーザー誘起光音響分光法のための光ファイバーシステムを開発した。ウラン溶液中に存在する550nmのCr(III)の吸収を、Pn(IV)の模擬として使用した。検出限界吸収係数は、1.7$$times$$10$$^{-5}$$cm$$^{-1}$$となることが分かり、その値は一般的な吸光光度計の検出限界吸収係数よりも二桁良い値である。光音響スペクトルのためのダブルセルシステムを開発した。その検出限界吸収係数は、U(IV)共存下、646.6nmにおいて7.0$$times$$10$$^{-6}$$cm$$^{-1}$$であった。このシステムを模擬溶解液の光音響スペクトルの測定に応用した。

報告書

Study on the photoacoustic spectroscopy capabilities with remote detection for monitoring of actinide species in nuclear fuel reprocessing solutions

S.I.Sinkov*; 木原 武弘; 藤根 幸雄; 前田 充

JAERI-Tech 95-016, 48 Pages, 1995/03

JAERI-Tech-95-016.pdf:1.7MB

溶液中微量成分を遠隔的に計測するため、光ファイバーを用いたレーザ光音響分光システムの開発を進めている。複合レンズによる調光、板状圧電素子を有する角型セルの適用について試験を行った。このシステムを用いて、硝酸ウラニル(UNH)溶液中におけるPu模擬物質(Pu(III)、Pu(IV)、Pu(VI)と同じ波長域で吸収ピークを有する物質)の測定を行い、硝酸及びUNHの影響を避けた525-562nmにおいて検出下限(吸収係数)1~3$$times$$10$$^{-5}$$cm$$^{-1}$$までの微濃度まで測定できることを示した。また、光ファイバー出口での調光を省略したシステムについても検討を行い、測定前の調整作業を大幅に簡略できる可能性を示した。

論文

Application of multi-capillary fiber to neutron microguide tube

曽山 和彦; 皆川 宣明; 渥美 卓治*; 古平 恒夫

Journal of Nuclear Science and Technology, 32(1), p.78 - 80, 1995/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:47.57(Nuclear Science & Technology)

多孔グラスファイバーを中性子マイクロ導管に応用するため中性子透過特性実験を行った。多孔グラスファイバーは、チャンネル内径15$$mu$$mの中空毛細管ガラス約1千本から成っている。特性実験は、JRR-3Mの熱中性子ビーム(2.0$AA)$を用いて行った。その結果、ファイバーの全反射臨界角は1.1mrad/$AA$、直線ファイバーの中性子透過率は0.97/cm、中性子反射率は、0.96であることがわかった。また、湾曲ファイバー(14cm長、曲率6.2m)の場合約10%が透過することがわかった。これらの結果より、多孔グラスファイバーが中性子マイクロ導管として有効であり、中性子レンズなど集束デバイスの開発に有用であることがわかった。

報告書

レーザー誘起光音響分光法による高感度分析技術の開発

木原 武弘; 深澤 哲生*; 藤根 幸雄; 前田 充; 池田 孝志*; 河村 文雄*

JAERI-M 93-234, 47 Pages, 1993/12

JAERI-M-93-234.pdf:1.7MB

再処理工程のNpイオンの高感度分析のためにバックグランドを補正するLIPAS(Laser-Induced Photoacoustic Spectroscopy)を開発した。可視域においてセルを直列に配するダブルセルシステムを検討した。感度は吸光法より二桁高い。これを用いPr,Nd,Er,Npの光音響スペクトルを測定した。Npについて低pHでは見られないピークが確認できるがまだ同定はできていない。近赤外においてアレキサンドライトレーザーを光源にセルを並列に配するシステムを検討した。これまでのNp(V)の検出限界濃度を一桁下回るデータが得られた。再処理へ適用するために重要な光ファイバーシステムを検討した。吸光法よりも二倍高感度であることが分かったが、今後さらに光操作法を検討するとともに、光ファイバーに適した光音響セルを開発する必要がある。尚本報告書は昨年終了した原研と日立製作所との共同研究で得られた成果をまとめたものである。

論文

Fiber-optics video probes for observation of high-pressure high-temperature two-phase flow

中村 秀夫; 村田 秀男; 伊藤 秀雄; 安濃田 良成; 熊丸 博滋; 久木田 豊

可視化情報学会誌, 12(47), p.47 - 56, 1992/10

高圧の蒸気/水二相流の可視観察は、多くの工業分野、特に相変化や相分離/混合が複雑に関与した現象を扱う分野で必要とされている。従来、空冷を施した大型の内視鏡(ビデオプローブ)が使用されてきたが、測定対象の二相流に乱れを与える場合があった。原研では、プローブの流れへの影響を低減する為、照明、観察共に石英系光ファイバーを用い、PWRの運転条件(圧力16MPa、温度325$$^{circ}$$C)でも無冷却で使用可能な小型プローブを開発した。ここでは、ROSA-IV/LSTF実験装置での使用/改良に基づく経験をまとめた。特に、高温の蒸気/水雰囲気での光学窓(サファイア)の腐食、高温での光ファイバーと金属製保護管との延び差吸収のためのスライド機構、鮮明な画像を得るための照明等の問題点をまとめ、併せて実験で得られたLOCA実験時の二相流観察例を紹介する。

論文

Fiber-optics video probes for observation of high-pressure two-phase flow

中村 秀夫; 村田 秀男; 伊藤 秀雄; 安濃田 良成; 熊丸 博滋; 久木田 豊

ANS Proc. 1991 National Heat Transfer Conf., Vol. 5, p.175 - 180, 1991/00

高温高圧条件下での蒸気/水二相流の可視観察は、多くの工業、特に相変化や相分離/混合が複雑に関与した現象を扱う分野で大変必要とされている。従来、空冷を施した大型のビデオプローブが使用されてきたが、プローブの冷却とプローブ自身の流路閉鎖性により、測定対象の二相流に乱れを与える場合があった。原研では、プローブが流れに与える影響を低減する為、照明、観察共に石英系光ファイバーを用い、加圧水型原子炉の運転条件(~16MPa,~325$$^{circ}$$C)下でも無冷却で使用可能な小型ビデオプローブを開発した。ここでは、本プローブを、ROSA-IV/LSTF実験装置で使用/改良した経験をまとめた。特に、高温蒸気/水雰囲気中でのサファイア光学窓の腐食、高温条件下での光ファイバーと金属製保護管との延び差吸収の為のスライド機構、鮮明な画像を得る為の照明等の問題点をまとめ、あわせて実験で得られた二相流の観察例を紹介する。

口頭

Development of laser remote spectroscopy for onsite and in-situ analysis of nuclear fuel debris under severe environment

若井田 育夫; 赤岡 克昭; 宮部 昌文; 大場 弘則; 佐伯 盛久; 伊藤 主税; 大場 正規; 加藤 政明

no journal, , 

福島第一原子力発電所の廃炉は、飛散した核分裂生成物や燃料デブリからの高い放射線の影響により、極めて難しい作業となることが予想される。廃炉に関する技術革新やブレークスルーが求められていることから、日本原子力研究開発機構では、廃炉国際共同研究センターを設立し、廃炉技術の基礎・基盤的研究開発を開始した。我々は、光でアクセスし光で観測することを基本コンセプトとし、図に示すような、耐放射線性光ファイバを用いたレーザー誘起発光分光法による燃料デブリの遠隔、迅速、非分離、直接その場分析技術開発をしている。パルスのNd:YAGレーザー基本波は数十mの耐放射線性光ファイバを介して伝送され、レンズで集光して試料に照査される。試料表面で発生したプラズマ発光は、レーザー集光用レンズ及び同一の光ファイバを介して伝送して分光器に入射し、元素特有の発光線を観測する。発光線の波長及びその強度を観測することで、元素識別、おおよその組成が評価可能である。$$^{60}$$Coを用いた$$gamma$$線照射環境下での試験の結果、線量率10kGy/h、累積線量2MGyの過酷環境において、耐放射線性光ファイバの光透過率に大きな変化がみられないこと、レーザー光の伝送でダメージを受けないこと、模擬試料による分光が可能であることを確認した。また、溶融した燃料棒による生成デブリを模擬し、ジルコニウムを含有したウラン酸化物焼結体を試料とした試験の結果、UとZrの識別と、U中のZr成分非の定量分析に成功した。今後は、より詳細な検討を加えて、廃炉に適用できるよう技術開発を進める。

口頭

Challenging in laser based spectroscopy for nuclear engineering

若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 宮部 昌文; 大場 正規; 伊藤 主税; 佐伯 盛久; 加藤 政明

no journal, , 

原子力分野、特に過酷事故を起こした福島の廃炉における核燃料物質の元素組成分析、同位体分析では、核燃料物質の持つ複雑で極めて多い発光線の評価は基より、強い放射線の環境下で、遠隔操作で、迅速で簡便な手法が求められる。このため、どのようにして高感度に、かつ高分解能に分析するかが重要な開発ポイントとなる。しかも、測定対象の化学系は金属、酸化物、液体と多様にわたる。この実現にはチャレンジングな手法の導入が不可欠となる。発光強度の増倍にはダブルパルス法に加えマイクロ波支援LIBS法を、同位体分析については高分解能分光器の導入による直接分析やアブレーション共鳴吸収分光法の導入を、液体については薄膜液体をターゲットとしたLIBSを、そして、過酷事故を起こした炉内の直接分析には耐放射線性光ファイバを用いたLIBS法の適用を開発するなど、様々な手法の開発が求められる。日本原子力研究開発機構では、2015年、新たに、「廃炉国際共同研究センター」を立ち上げ、レーザー計測についても積極的に研究開発を進めている。

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